基于單片機的電梯控制系統畢業設計目 錄1 緒論11.1 電梯的定義與簡介11.2 電梯的組成21.3 國內外電梯的發展狀況21.3.1國內電梯發展狀況21.3.2國外電梯發展狀況31.4 電梯的發展趨勢41.5 課題的主要研究內容及意義51.6 設計功能要求62 電梯系統設計方案論證及選擇62.1 控制核心72.2 曳引動力選擇82.3 曳引機驅動電路92.4 內外顯示電路92.5 召喚電路102.6 定位平層系統102.7 樓層提示及報警系統123 硬件基礎知識123.1 步進電機123.2 激光二極管133.3 LN298驅動芯片143.4 LM339比較器153.5 LCD1602液晶164 硬件電路設計184.1 單片機小系統電路194.2 電機驅動電路214.3 液晶顯示電路214.4 4*4矩陣鍵盤電路224.5 定位平層電路224.6 樓層提示及聲光報警電路234.7 電源電路245 軟件設計255.1 液晶顯示模塊265.2 矩陣按鍵掃描模塊295.3 速度變換（加速-勻速-減速）模塊325.4 樓層檢測模塊345.5 電機驅動模塊346 電梯的模型的制作與功能調試366.1 電梯模型的制作366.2 電梯系統各模塊功能調試376.3 電梯系統整體功能調試397 總結與展望397.1 設計總結407.2 展望41謝 辭43參考文獻441 緒論1.1 電梯的定義與簡介隨著社會的發展，城市人口規模不斷擴張，受到土地面積的限制，高層建筑日益增多。人們居室環境發生了很大的變化，人們對生活起居便利的需求日益迫切，電梯作為一種垂直方向的交通工具，在多樓層建筑方面更是不可或缺，人們對電梯的依賴性也越來越高。電梯是一種以電動機為動力的垂直升降機，服務于規定樓層的固定式升降設備。它具有一個轎廂，運行在至少兩列垂直的或傾斜角小于15的鋼性導軌之間。轎廂尺寸與結構形式便于乘客出入或裝卸貨物。電梯按外觀主要有兩種：臥式電梯和立式電梯。臥式電梯主要應用與大型商場、娛樂場所、旅游場所等公共場合。臥式電梯的運動規律是固定的，在帶狀的軌道上循環運轉，正常工作狀態下，它只按照設定的方向做一個方向的運動，與乘客之間沒有信息的交流，將乘客送至指定的位置，一個電梯只能到達規定的樓層。立式電梯主要應用于住宅、辦公樓、大型商場等場所，它與臥式電梯最大的區別是：它是根據外部呼叫信號以及自身控制規律運行的，而呼叫信號時隨機的，電梯實際上是一個人機交互的控制系統。單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足其控制要求的，因此，它是采用隨機邏輯方式控制其垂直的上下運動的。 圖 1.1 立式電梯 圖 2.2 臥式電梯 目前立式電梯的控制普遍采用了兩種方式，一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態和功能的設定，實現電梯的自動調度和集選運行動能，拖動控制則由變頻器來完成，這種方式的優勢是：生產規模較小，可以自己設計和制造微機控制裝置，靈活性強；第二種控制方式用可編程控制器（PLC）取代微機實現信號集選控制，這種方式的優勢是：PLC可靠性高，程序設計方便靈活，抗干擾能力強，運行穩定等特點。1.2 電梯的組成現代電梯主要由以下幾個部分組成：（1）曳引系統 曳引系統的主要功能是輸出與傳遞動力，使電梯運行。曳引系統主要由曳引機、曳引鋼絲繩，導向輪，反繩輪組成。（2）導向系統 導向系統的主要功能是限制轎廂和對重的活動自由度，使轎廂和對重只能沿著導軌作升降運動。導向系統主要由導軌，導靴和導軌架組成。（3）轎廂 轎廂是運送乘客和貨物的電梯組件，是電梯的工作部分。轎廂由轎廂架和轎廂體組成。（4）門系統 門系統的主要功能是封住層站入口和轎廂入口。門系統由轎廂門，層門，開門機，門鎖裝置組成。（5）重量平衡系統 系統的主要功能是相對平衡轎廂重量，在電梯工作中能使轎廂與對重間的重量差保持在限額之內，保證電梯的曳引傳動正常。系統主要由對重和重量補償裝置組成。（6）電力拖動系統 電力拖動系統的功能是提供動力，實行電梯速度控制。電力拖動系統由曳引電動機，供電系統，速度反饋裝置，電動機調速裝置等組成。 （7）電氣控制系統 電氣控制系統的主要功能是對電梯的運行實行操縱和控制。電氣控制系統主要由操縱裝置，位置顯示裝置，控制屏(柜)，平層裝置，選層器等組成。（8）安全保護系統 保證電梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故發生。由電梯限速器、安全鉗、緩沖器、安全觸板、層門門鎖、電梯安全窗、電梯超載限制裝置、限位開關裝置組成。1.3 國內外電梯的發展狀況當今世界，電梯的生產情況與使用數量已成為衡量一個國家現代化程度的標志之一。在理論上，電梯控制經歷了從繼電器接觸器到PLC控制和微機控制的過程。無論是國內還是國外非常關注電梯的研究與發展，對電梯加入了大量的投資。調頻門控、智能遠程監控、主機節能、控制柜低噪音耐用、復合鋼帶環保一款款集納了人類在機械、電子、光學等領域最新科研成果的新型電梯競相問世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光輝，人們的生活因此變得更加美好。1.3.1國內電梯發展狀況我國電梯發展可以按電梯交流調速的發展歷史劃分為如下三個階段：第一個階段主要在上世紀70年代，其主要標志是交流雙速電梯，該方法采用改變牽引電機極對數來實現調速。這種電梯結構簡單、價格低廉、使用和維護都很方便，但調速不夠平滑、舒適感較差。第二個階段主要在上世紀80年代，主要使用交流調壓調速方法，其性能優越于交流雙速電梯。調壓調速的方法是通過改變三相異步電機定子端的供電電壓實現電機的調速，其制動多采用能耗制動。第三個階段開始于上世紀90年代，變壓變頻調速電梯（VVVF電梯）開始占據了世界電梯的市場。VVVF電梯通過調節電機定子繞組供電電壓的幅值和頻率來實現轉速的調節。由于變壓變頻調速（VVVF）的良好特點，至今新制造的電梯都采用該方式進行速度控制。節能問題 越來越多的電梯進入高層建筑，電梯的節能運行是電梯開發和使用的關鍵。從控制的角度來看，有效地改善供電電能的質量、充分地利用電能是一個良好的舉措。效率 電梯作為一種位能型負載，運行過程中需要作頻繁地升降運動，研究一種或多種電梯速度給定曲線，合理地選擇運行速度曲線，是提高運行效率至關重要的一環，而目前國內生產的大多數電梯存在著給定速度曲線實現困難、資源耗用率高等系列不足等問題，極大地限制了電梯高效地運行?？刂破餍詢r比低 目前國內的電梯廠家采用的電梯控制核心設備大部分都是國外進口產品，核心技術和知識產權為國外大公司所有。而少數自己開發的控制器也有開發周期長，開發成本高等缺點。另外國內的絕大部分VVVF電梯采用的變頻器都是電梯用專用變頻器，這種變頻器雖然使用起來很方便，但其價格卻是同類通用變頻器的1.5到2陪，使整個控制系統的性價比大大下降。電梯電氣控制技術是一個綜合性的系統技術，包括控制器、傳感器和調速方法等多種技術，目前，國內電梯企業主要有：1.3.2國外電梯發展狀況國外電梯行業發展迅速，目前不僅在節能上做了很大的功夫，而且在智能化、遠程化、集成化及可視化方面也有了很大的研究。例如：（1） 垂直運輸與水平運輸的復合運輸系統，該系統采用直流電機驅動，在一個井道內設置多臺轎廂。轎廂在計算機導航系統控制下，可以再軌道網絡內交貨各自運行線路。該系統節省了井道占用的空間，解決了超高樓層建筑群電梯鋼絲繩重量太大的問題尤其適合于具有同一底樓的多塔型高層建筑群中前往空中大廳的穿梭直駛電梯。（2） 交流永磁同步無齒輪曳引機驅動的無機房電梯，該類型電梯由于曳引機和控制柜置于井道中，省去了獨立機房，節約了建筑成本，增加了大樓的有效面積，提高了大樓建筑美學的設計自由度。交流永磁同步無齒輪曳引機的特點是：結構簡單緊湊，體積小，重量輕，形狀可以靈活多樣；配以變頻等。通過控制中心的設置還可以顯示日期、時間、問候、樓層指南、廣告等，甚至可以與遠程計算機和尋呼系統聯接發布天氣預報，新聞等。（3） 電梯遠程監控系統。該系統是將控制柜中的信號處理計算機獲得的電梯運行和故障信息，并通過公共電話網絡或者專用網絡傳輸到遠程的能夠提供可視節目的專用電梯服務中心的計算機，以便哪里的服務人員掌握電梯的運行狀況，特別是故障情況。該系統一般具有顯示故障、故障統計與預測等功能，還有的可實現遠程調試與操作，使維修人員迅速進行維修應答和采取維修措施。這樣縮短了故障處理時間，簡化了人工故障檢查的勞動，保證了電梯安全高效的運行。1.4 電梯的發展趨勢電梯作為現代建筑中的重要交通工具，它與一般的交通工具有著較大的差別。良好的電梯控制技術是電梯高質量運行的重要保障，電梯運行安全舒適、高效、節能控制器的性價比等都是電梯技術發展面臨的重大問題。（1）安全 2011年“7.5”北京地鐵4號線自動扶梯安全事故發生后，北京市質監局于去年年底，在軌道交通項目推行電梯制造單位“終身負責”的工作機制，要求電梯制造單位對電梯質量以及安全運行涉及的質量問題終身負責；電梯安裝改造維修結束后，電梯制造單位要按照要求對電梯進行校驗和調試，并對校驗和調試結果負責；電梯投入使用后，電梯制造單位要對其制造的電梯安全運行情況進行跟蹤調查，并給予維保單位技術指導和備修件支持。（2）綠色節能 建設節約型社會已成為我國政府多年來的重點工作。電梯作為能耗大戶，使用節能電梯已成大勢所趨，綠色節能依然成為2012年電梯行業發展的主要方向。實現電梯節能主要有以下幾個途徑，即改進機械傳動和電力拖動系統，例如將傳統的渦輪渦桿減速器改為行星齒輪減速器或采用無齒輪傳動，機械效率可提高15%25%；將交流雙速拖動系統改為變頻調壓調速（VVVF）拖動系統，電能損耗可減少20%以上。其次，可以采取能量回饋技術，將電容中多余的電能轉變為與電網同頻率、同相位、同幅值的交流電能回饋給電網，可以提供給小區照明、空調等其他用電設備。從數據上看，能量回饋技術使用后節能效果顯著。若以一幢20層左右的大樓為例，一臺1350公斤、速度2.5米/秒的傳統電梯，一周實測耗電約800千瓦時，而能量回饋型電梯僅為600千瓦時，實際節約能耗30%左右。（3）超高速電梯 。超高速電梯的研究繼續在采用超大容量電動機、高性能微處理器、減振技術、新式滾輪導靴和安全鉗、永磁同步電動機、轎廂氣壓緩解和噪聲抑制系統等方面推進。超高速電梯在一些建筑中已經得到了充分應用，比如臺北101大廈采用的電梯速度達到每分鐘1010米。正在建設中的上海中心大廈將采用每分鐘可運行1080米的電梯，建成后的上海中心大廈不僅成為中國最高建筑，采用的電梯也將成為世界最高速電梯。中國城市化進程的不斷加快，高層酒店和寫字樓越來越多，這對電梯這種大型公共運輸設備的速度和載重提出了更高的要求，研發超高速電梯成為各大電梯品牌共同目標。超高速電梯不僅能夠提高電梯運行效率，更能代表整個電梯行業的發展水平，因此高速電梯也是衡量一個企業實力的重要標準。隨著超高速電梯需求日益增多，也給中國正在發展壯大的民族電梯企業提供了有利的機遇。（4）智能群控技術 電梯群控系統是指在一座大樓內安裝多臺電梯，并將這些電梯與一個計算機連接起來。該計算機可以采集到每個電梯的各種信號，經過調度算法的計算向每個電梯發出控制指令?？傊?，電梯群控技術能夠根據樓內交通量的變化，對每個電梯的運行狀態進行調配，目的是為了達到梯群的最佳服務及合理的運行管理。傳統的群控算法只有一個目標，即最小候梯時間。在現代高層建筑的一些特定交通模式下，不可能要求每一部電梯能夠服務每一個樓層，所以電梯群控系統調度算法的研究有著重要的現實意義。智能群控技術不僅代表行業技術發展方向，也將給人們帶來更多的便利。（5）物聯網監管電梯 用物聯網監控電梯，就是在電梯轎廂原來的監控設備上安裝物聯網傳感器，傳感器會對電梯里的視頻、音頻、運行狀態等數據進行24小時實時監控。采集到的數據，會通過3G電信網絡傳輸到應急處置中心，中心平臺能據此進行在線故障分析診斷，及時告知救援人員。 據介紹，只要電梯發生困人事件，整個系統會立即啟動分級響應救援機制,電梯維保人員將在第一時間內通過手機或網絡收到電梯故障消息。如果維保人員在半小時內沒有處置，電梯維修的主管、小區物業公司負責人、屬地質監部門的電梯運行監控室將依次收到報警短消息。若事故依然未得到有效處理，傳感器將自動向上一級主管部門傳輸數據進行報警。在電梯產品不斷走向智能化時，采用科技手段監管電梯已成大勢所趨。1.5 課題的主要研究內容及意義本課題的主要任務是通過對電梯功能的觀察、研究，并用步進電機作為驅動單元模擬出電梯的運行情況，完成一個電梯系統的調度模塊，即根據每個樓層不同顧客的按鍵需求，讓電梯做出合理的判斷，正確高效地知道電梯完成各項載客任務。根據此任務，本課題需要研究的內容有：（1）根據系統的技術要求，進行系統硬件的總體方案設計；（2）學習單片機及步進電機的相關知識，并且加以運用；（3）研究C語言編程，并且規定電梯的工作規則，用C語言加以實現；（4）對軟件和硬件進行調試，讓其協調工作，完成指定任務。研究意義：一方面：單片機具有低功耗、可刷寫、低成本、高可靠性和速度快等優點，可實現智能操作控制。基于單片機的四層電梯控制系統技術為智能電梯控制系統節省了大量的硬件成本，必將成為智能電梯的一個發展方向。另一方面：單片機在我們的生活中觸手可及，尤其是在智能儀表、實時控制、機電一體化、辦公機械、家用電梯等方面擁有廣泛的應用領域，對此課題研究對單片機學習有很大的幫助。1.6 設計功能要求（1）各樓層的電梯請求以及電梯運行方向和位置的顯示功能；（2）電梯內的樓層選擇以及電梯所在位置和運行方向的顯示功能；（3）電梯在運行過程中能接受各樓層處和電梯內的樓層請求，并根據情況 予以實現；（4）電梯停止到啟動期間，可以接受電梯內部和外部的延遲關門請求；（5）用步進電機來模擬電梯運行，并實現電梯的加速勻速減速功能。2 電梯系統設計方案論證及選擇 該系統的總體設計框圖如圖2.1所示：控制電路 按鍵電路 顯示電路 驅動電路 報警電路 電機 定位樓層電路 圖2.1 系統總體設計框圖2.1 控制核心方案一：采用可編程控制器（PLC）作為主要器件。PLC首先接收來自電梯的呼梯信號、平層信號，然后根據這些輸入信號的狀態，通過其內部一系列復雜的控制程序，對各種信號的邏輯關系有序的進行處理，最后向直流門控電機、變頻器和各類顯示器適時地發出開關量控制信號，對電梯實施控制。該方案編程簡單，運行穩定，可靠性強；但由于由于電梯的控制屬于隨機性控制，各種輸入信號之間、輸出信號之間以及輸入信號和輸出信號之間的關聯性很強，邏輯關系處理起來非常復雜。方案二：采用51類單片機控制所有的按鍵、語音播報、數碼管顯示、電動機的轉動，等等。并對以上所有信號進行處理。這樣做的優點是電路比較簡單，工作量小。51單片機該單片機內部資源豐富，有8K的程序存儲器集成了內部看門狗、雙數據指針、在系統編程（串行下載目標程序）等功能，軟硬件調試方便，用起來相當熟悉。方案三：選用凌陽單片機為控制核心。該方案的優點是：頻率較高、響應快、有14個中斷源，兩個定時器，7路A/D轉換，兩路D/A轉換，并且有豐富的語音資源。缺點是：價格較高，應用不夠熟練。方案選擇：考慮到我對51類單片機比較熟悉，還有系統成本問題，我采用方案二。2.2 曳引動力選擇 圖2.2 步進電機內部結構 圖2.3 直流電機內部結構方案一：采用步進電機作為本設計的執行元件，步進電機在定位性能方面十分優越。步進電機和普通電機的區別主要就在于其脈沖驅動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現代的數字控制技術相結合。因為步進電機不需要A/D 轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化成為角位移。如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。我們所用的步進電機每轉一步，角度轉1.8在應用中，步進電機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息，升降精度很高。方案二：采用直流電機作為本設計的執行元件，直流電機工作是讓線圈始終交替地處于穩定狀態和非穩定平衡狀態，通過兩個半圓環形電樞將線圈的穩定平衡狀態消除掉。這樣，載流線圈在磁場中就會一直地轉動下去。直流電機在高起動轉矩、大轉矩、低慣量的系統中經常使用到。方案選擇：由于直流電機不易控制速度且定位性能差，而采用步進電機更容易實現對物體升降的控制，故采用方案一。2.3 曳引機驅動電路圖2.4 ULN2003芯片內部結構方案一: 主要使用達林頓芯片ULN2003作為驅動芯片。ULN2003系列芯片從邏輯上說是個反相器，它的特點是低電平輸出時候才能輸出功率，高電平的時候是虛高(不負擔電流輸出)，芯片ULN2003在很短的時間內發熱很大，所以，要想運轉順暢，就得讓電機先以低速啟動，然后加速到想要的速度。方案二：主要使用L298N芯片。L298N可以為負載提供雙向的電流。適合驅動2相或4相的步進電機和直流電機,特是當驅動電機的方向要改變時，只須把原來電機方向的電位置反即可，所以相對ULN2003來控制步進電機要好一些。本設計的步進電機驅動使用了方案二。2.4 內外顯示電路圖2.5 7段數碼管方案一：采用7段數碼管作顯示。采用數碼管具有價格便宜，亮度大，軟件編程簡單，硬件電路調試簡單等優點，但它的功耗大，而且只能顯示阿拉伯數字，占用端口多等缺點。方案二：采用點陣式液晶顯示屏顯示。液晶顯示屏具有功耗很低，占用端口少，軟件編程簡單，硬件電路調試簡單，可以顯示各種文字字符等優點。但是價格相對來講也必較高，而且調用延時長。方案選擇：考慮到單片機的端口有限還有使顯示內容更加人性化等問題，故選擇方案二。2.5 召喚電路方案一：采用獨立按鍵。該方案的最大優點是電路連接簡單，軟件編程容易實現，缺點是一個按鍵就占用一個I/O口，造成資源浪費，一般適用于單片機端口比較豐富的設計。方案二：采用矩陣按鍵。該方案與方案一優缺點剛好相反，16個按鍵，使用矩陣按鍵電路，只需要8個I/O端口，但是編程比較復雜。方案選擇：為了節省I/O端口，所以采用方案二。2.6 定位平層系統方案一：采用金屬接近開關檢測電梯層數。在轎廂安裝金屬片，并在豎井各個樓層設置金屬接近開關，當轎廂運動到特定的位置時，豎井上的金屬接近開關探測到金屬片，其輸出發生變化。單片機通過金屬接近開關輸出的變化知道電梯轎廂的位置。該方案安裝的金屬片會加重轎廂重量，并且金屬接近開關體積較大、安裝不便、成本較高。圖2.6 金屬接近開關方案二：采用反射式紅外光電傳感器檢測電梯層數。在豎井各個樓層設置反射式紅外光電傳感器，在轎廂上正對傳感器的一面部分抹黑，當抹黑的部分結束時，正好到達樓層位置。當接通電源時，紅外線發射管不斷發射紅外線，當轎廂運動到特定位置（即樓層位置），反射式紅外光電傳感器正對轎廂非抹黑部分，發射管發射出的紅外光被反射到接收管，紅外線接收頭接收到紅外線，其輸出發生變化（圖2為發射管原理），單片機通過紅外線接收頭輸出的變化知道電梯轎廂的位置。該傳感器的響應時間為2.5ms，因而可以迅速對黑線進行檢測,且體積小、功耗低、容易安裝。圖2.5 超聲波模塊 圖2.6 超聲波測距原理圖方案三：采用超聲波測量轎廂距離來判斷轎廂所在樓層數。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的，其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的一般上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。它的優點是電路簡單，軟件編程容易實現，且方向性好，易于獲得較集中的聲能，準確度高。缺點是：超聲波模塊價格較高，容易受干擾。方案四：采用激光二極管與光敏電阻組成的檢測電路檢測電梯層數。在轎廂裝一個激光二極管，在豎井的各個樓層裝置光敏電阻，當激光二極管照射到光敏電阻時，阻值發生變化轉變為電壓變化，再將電壓變化信息輸送到單片機的I/O端口，讓單片機根據信號判斷樓層位置。該方案的優點是：裝置簡單，而且每一樓層有對應的光敏電阻，軟件實現樓層判斷非常簡單，成本也比較低。方案選擇：考慮到軟件編程容易，我選擇方案四。2.7 樓層提示及報警系統方案一：通過A/D、單片機、存儲器、D/A系統實現聲音信號的采樣、處理、存儲和重現。該方案首先將聲音進行放大，通過A/D采樣將語音模擬信號轉換成數字信號，并由單片機的控制和處理存放到存儲器中，實現錄音操作。在放音過程中由單片機控制D/A，將存儲器中的數據轉化成聲音信號。此方案安裝調試復雜，集成度低。方案二：采用美國ISD公司的2590語音芯片，該語音芯片片內E2PROM容量為480K，錄放時間長錄放時間可以達到90 秒。該方案具有抗斷電、音質好、人性化、使用方便等優點。缺點是：語音芯片價格比較高。方案三：采用蜂鳴提示音提示當轎箱到達所需的樓層時，蜂鳴器響一聲，提示乘客到達了所需的樓層，當遇危險時，蜂鳴器就長鳴，該方案的軟件驅動、硬件電路調試非常簡潔方便，而且價格便宜，能滿足本設計的要求。方案選擇：考慮到實際的要求，我采用方案三。3 硬件基礎知識3.1 步進電機 圖2.7 39L步進電機 步進電機是一種脈沖控制型電機，即給一個脈沖信號，電機就轉動一個角度，電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定，因此非常適合于單片機控制。按工作類型，步進電機可分為反應式步進電機（簡稱VR）；永磁式步進電機（簡稱PM）以及混合式步進電機（簡稱HB）。步進電機的驅動是根據控制信號工作的，其控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-CD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。3.2 激光二極管激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激光二極管。激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優點。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。 圖2.4 激光二極管實物圖 圖2.5 激光二極管內部結構圖3.3 LN298驅動芯片 圖3.2 LN298實物圖 圖3.3 LN298功能管腳圖 LN298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路，可以驅動兩個直流電機或者一個步進電機。它的功能管腳圖如圖3.3所示。圖3.4 LN298內部電路圖LN298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.57 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2.546 V。輸出電流可達2.5 A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。LN298N芯片的輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節輸出電壓，工作狀態下，INPUT1，INPUT2，INPUT3和INPUT4與單片機I/O口連接，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機的控制端，可以通過接收單片機輸出的控制信號控制電機的運轉，EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。表1 LN298功能邏輯圖In1In2運轉狀態0停止110正轉101反轉111剎停100停止3.4 LM339比較器 圖3.5 LM339實物圖 圖3.6 LM339內部電路圖LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：（1）失調電壓小，一般為2mV；（2）電源電壓范圍寬，236V，或者1V18V；（3）對比較信號源的內阻限制很小；（4）共模電壓范圍很大，為0 （Ucc-1.5V）Vout；（5）差動輸入電壓范圍較大，甚至可以等于電源電壓；（6）輸出端電位選用靈活。LM339集成塊采用C-14型封裝，外型及管腳排列如圖3.6。LM339類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器都有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 否3.5 LCD1602液晶 圖3.7 LCD1602液晶實物圖 圖3.8 LCD1602液晶管腳圖液晶模塊引腳功能表如表2所示：表2 液晶模塊引腳功能表0符 號 名 稱 功 能 1Vss接地 0V2VDD電路電源 5V10%3VEE液晶驅動電壓 保證VDD-VEE=4.55V電壓差 4RS寄存器選擇信號 H:數據寄存器 L:指令寄存器 5R/W讀/寫信號 H:讀 L:寫 6E片選信號 下降沿觸發,鎖存數據 7-14DB0-DB7數據線 數據傳輸 表3 寄存器選擇功能表 RSR/W操 作 00指令寄存器(IR)寫入 01忙標志和地址計數器讀出 10數據寄存器(DR)寫入11數據寄存器讀出（注:忙標志為1時,表明正在進行內部操作,此時不能輸入指令或數據,要等內部操作結束,即忙標志為0時。） 顯示位與DD RAM 地址的對應關系如表4所示： 表4 顯示位與DD RAM 地址的對應關系 顯示為序號12345.40DD RAM地址HEX第一行0001020304.27第二行4041424344.674 硬件電路設計根據實用電梯的設計要求，并從各方面論證，將系統電路分為若干個模塊，分別是：單片機小系統電路，矩陣鍵盤電路，聲光提示及報警電路，定位平層電路，液晶顯示電路，LN298驅動電機電路以及電源電路。電路整體系統如圖4.1所示。LCD1602液晶顯示 4*4矩陣按鍵 51單片機 LN298驅動電路 聲光提示及報警 步進電機 定位平層電路 圖4.1 電路整體系統其中聲光提示及報警電路采用的是二極管與蜂鳴器組成的電路。聲光提示電路，是N個發光二極管組成的，用于提示轎廂所在的電路所在方向。定位平層電路是由一個激光二極管作為光源，4個光敏電阻檢測所到樓層的信息。電路的各個部分，在下面章節中分別詳細介紹。4.1 單片機小系統電路圖4.2 單片機小系統電路控制中心采用AT89S51單片機，單片機的各個端口電路如圖4.2所示。其中29、30腳懸空，不接任何電路。晶振電路、復位電路以及下載電路如圖4.3所示。 圖4.3 晶振、復位以及下載電路晶振電路由C1與C2和晶振組成，晶振給單片機提供工作信號脈沖。晶振的速率決定單片機的工作速率，C1與C2電容為10pF-50pF的瓷片電容，接在晶振的兩引腳處，作用是削減偕波對電路的穩定性的影響。復位電路采取的方式為手動按鍵復位電路，由電解電容、電阻R1和紐扣按鍵組成。復位電路的原理是：當單片機的復位引腳RESET出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。每次復位后，單片機的程序都會從第一條開始從新執行。需要注意的是：復位電容必須是電解電容，注意不要能接反。下載電路：圖中所顯示的是下載端口的接法，該端口與單片機是通過三個數據線通信的，三個數據端口分別接單片機的P1.5，P1.6，P1.7。還有一個接口是接單片機的RESET，用于擦寫程序。下載器的主控芯片為PDIUSBD12，主控電路為一個固定模塊，該USB接口適合于高速數據采集系統與主機進行數據通信，同時，也為便攜式系統提供了方便、快捷和可靠的接口解決方案，由于比較復雜，所以這里不作詳細介紹。表5 單片機小系統電路元器件參數器件名參數數量4.2 電機驅動電路該驅動電路如圖4.4所示，驅動芯片為LN298，驅動芯片的4腳為動力電源接+12V電壓，9腳為邏輯電源接+5V電壓，D7、D8、D9、D10二極管起泄流保護作用，步進電機是線圈式的，在從運行狀態突然轉換到停止狀態和從順時針狀態突然轉換到逆時針狀態時會形成很大的反向電流，因此需要泄流，反接幾個二極管即可完成此功能。J4四個插針是連接到步進電機的輸入電極，控制步進電機的正反轉。為了防止步進電機的瞬間電路過大而燒壞單片機，我使用了四個光耦來作隔離。在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡單、低成本的方式。光耦接+5V電壓，光耦的輸入信號來自單片機的P2.0-P2.3。圖中U1、U2、U3、U4為隔離光耦，U5、U6為備用光耦。電路還設置了發光二極管作為指示光耦的運行情況。圖4.4 電機驅動電路4.3 液晶顯示電路圖4.5 液晶顯示電路顯示電路如圖4.5所示，電路中顯示采用LCD1602液晶顯示器，數據端口DB0DB7接單片機P0口，使能端E腳接P2.5腳，高電平有效。R/為讀寫端，高電平時為讀操作，低電平為寫操作。RS為寄存器選擇接單片機的P2.7，高電平時選擇數據寄存器,低電平時選擇指令寄存器。接P2.6端口滑動電阻RP1（可調范圍是：050K）是用于改變VO口的電壓，調節液晶顯示的對比度和亮度。15腳為背光正極，16腳為背光負極，為了防止出現“鬼影”現象，15腳接正極，16腳接地。4.4 4*4矩陣鍵盤電路按鍵電路如圖4.6所示。按鍵接單片機的P1端口，其中行接低四位，列接高四位。按鍵調用時，先給高四位的電平與0xf0相與，若沒有有鍵按下就會返回0xf0值，若有鍵按下就可以得到按鍵響應所在的列，若然后逐次對列進行掃描，判斷出所在的列侯就可以判斷出按鍵響應值。圖4.6 4*4矩陣按鍵電路4.5 定位平層電路定位平層電路由激光二極管與冠名電阻組成的檢測電路，通過將檢測來的信號傳輸到LM339比較電路，與參考電壓進行比較最后得到了一個邏輯電平（1或0），再通過單片機來處理，判斷轎廂所在位置，電梯模型中，光敏電阻裝置在豎井上，并對應每個樓層位置上，激光二極管裝置在轎廂外部邊緣，通過測量，使激光二極管與光敏電阻對位時，剛好到達一個樓層。其原理圖如圖4.7所示。其中+VCC為5V電壓。由于LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，所以在使用的時候，輸出端到正電源之間須接一個電阻（稱為上拉電阻，阻值范圍：315K）。當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值，所以選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值，圖中其中R2為上拉電阻，根據實際情況，R1值為10K。R3為光敏電阻（為了讓光敏電阻不受外部光源的影響，制作時候，需要加個黑色的塑膠套）。當有光照射的情況下R3=268，無光照射的情況下R3=180K。R2為分壓電阻，阻值為10K。R6為激光二極管，當激光二級管照射到R3的表面時，表明到達一個樓層，R3阻值達到最低為268，7腳電壓=5*268/10000=0.134(V)；當激光二級管沒有照射到R3的表面時，表明在樓層的其他位置，R3阻值達到最大為180K，7腳電壓=5*180000/19000=4.737(V)。參考電壓，所以輸出高電平。6腳為參考電壓值，當大于6腳時，比較器輸出高電平，反之輸出低電平。圖4.7 定位平層電路4.6 樓層提示及聲光報警電路樓層提示電路非常簡單，由幾個發光二極管組成，如圖4.8所示。其中R3、R4、R5、R6、R12、R13、R14、R15電阻為限流電阻，它們的阻值均為10K，保護發光二極管，防止電流過大燒壞發光二極管。每個樓層均有兩個發光二極管。發光二極管是用于提示樓層所在的方位，由P3.0P3.3接口控制亮滅。例如：當轎廂在二樓時，三樓的兩個發光二極管，其中表示方位為上的二極管滅，表示方位為下的二極管亮。其他樓層原理也相同。聲光報警電路由一個蜂鳴器與一個發光二極管組成，其原理圖如圖4.9所示。蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應用于各種電子產品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多應用場合。蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以，若直接接單片機很難驅動蜂鳴器發出聲音，所以增加了一個三極管Q1來增加通過蜂鳴器的電流。蜂鳴器的正極性的一端聯接到5V電源上面，另一端聯接到三極管的集電極，三極管的基級由單片機的P2.4管腳，當P2.4管腳為低時，三極管導通，發光二極管亮，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發出聲音。當P2.4管腳為高時，三極管截止，發光二極管滅，蜂鳴器不發出聲音。蜂鳴器的聲音大小及音調可以通過調整P2.4管腳的置高時間進行控制。 圖4.8 外部樓層提示電路 圖4.9 聲光報警電路4.7 電源電路電源是各個模塊工作的能量，各個模塊工作電壓不盡相同，而且提供合適的電壓值才能使各個模塊工作在最穩定的狀態。單片機、蜂鳴器以及LN298驅動電路需要5V供電，步進電機需要9V和12V供電。因此需要做能提供5V、9V、12V的電源。首先用變壓器將市電降到24V，再引三路分別接到有整流、濾波、穩壓的電路中，即可得到直流5V、8V、12V電源。電路原理圖如圖4.10所示。 圖4.10 電源電路5 軟件設計本系統是以單片機的高級語言C語言來進行軟件設計，使指令的執行速度快，節省存儲空間。為了便于擴展和更改，軟件的設計采用模塊化結構，使程序設計的邏輯關系更加簡潔明了。軟件設計有兩種方法：一種是自上而下，逐步細化；一種是自下而上，先設計出每一個具體的模塊（子程序），然后再慢慢擴大，最后組成一個系統。在本設計中我用自下而上的設計方法。本設計的主程序總共調用了4個子程序，分別是液晶顯示程序、鍵盤掃描程序、樓層檢測程序、步進電機方向及速度變換子程序、樓層提示及報警程序。在實際應用中，若電梯處于閑置狀態時，也就是說只有一人用電梯，電梯僅響應一個呼叫，這個軟件實現就比較容易。但是，對于多層樓層的實際情況往往比這復雜的多，要考慮到很多人同時使用電梯的情況，有可能會有其他不同樓層的人按下不同的按鍵（上行或者下行）的情況發生。所以得為電梯設定好一個不會發生混亂的的優先級規則，讓系統根據遵循這一優先規則，這個規則也是本設計最大的一個難點。本設計中我設定的規則是：當電梯向上運行時，優先處理向上的召喚，對應向下運行的召喚先用寄存器存儲，當電梯向上運行到達一個樓層時，先檢測寄存器里面的召喚，若沒有向上的召喚時，則可以運行向下的召喚。當電梯正在運行到某一樓層的過程中，為了更好的實現電梯的速度變換，減小電梯制作的成本，若此時有途中要經過的樓層有召喚時，也要等到完成正在執行的響應否再執行。并且，若在上行過程中，也有人在某層按的是上行按鍵，但是電梯此時已經走過了該層，那么電梯也絕對不會再選擇先下行接他。向下運行時，召喚的優先級與向上的同理，這里不再累贅。主流程框圖如圖5.1所示。由AT89S51單片機為控制核心，先執行液晶顯示的初始化程序，就開中斷，每隔10ms掃描一次按鍵及樓層樓層檢測模塊，看是否有召喚和轎廂所在位置，若有召喚則讀取寄存器寄存的召喚數據，然后調用速度變換子程序，當檢測到轎廂狀態（位置及運動狀態）有變化時，刷新顯示內容。系統的各個子程序分別在以下章節作詳細介紹。 開始 初始化 液晶顯示 掃描按鍵 樓層檢測 速度變換程序 圖5.1 主控流程圖5.1 液晶顯示模塊液晶顯示子程序流程圖如圖5.2所示。 返回程序入口是否判斷是否完成顯示初始化寫入顯示設置命令延時1ms寫入顯示數據檢測忙信號延時1ms否是判斷E=1？ 獲得顯示地址圖5.2 顯示流程圖LCD1602在接口方面，有 8 條數據，三條控線。與微處理器或微控制相連,通過送入數據和指令，使模塊正常工作，其中8調數據線接單片機的P0端口，寄存器選擇控制線接P2.7端口，讀數據。如流程圖5.2所示，LCD1602的顯示實現需要通過四個過程：檢測忙碌階段，寫入指令階段，讀取數據階段，寫數據階段。軟件編程中，關于這四個過程的子程序，我直接調用過來的。顯示前進行初始化，即復位過程，分為四個階段：不檢測忙碌狀態（指令：0x38）；開顯示屏（指令：0x0c)；光標移動設置（指令：0x06）;刷新屏（指令：0x01）。源程序如下：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P27;/寄存器選擇端接單片機的P2.7口sbit rw=P26;/讀寫端接單片機的P2.6口 sbit lcden=P25;/使能端接單片機的P2.5口uchar code table=Direction: $ ;/顯示初始化uchar table1=Location: 1 ;bit lcd_bz() /測試LCD忙碌狀態 bit result; rs = 0; rw = 1; lcden = 1;/忙標志和地址計數器讀出 DelayMs(5); result = (bit)(P0 & 0x80);/將P0數據初始化 lcden = 0; return result;void write_com(uchar com) /寫指令 while(lcd_bz();/檢測忙狀態rs=0; rw=0; lcden=0;/指令寄存器寫入P0=com;DelayMs(5);lcden=1;DelayMs(5);lcden=0; void write_date(uchar date) /寫數據 while(lcd_bz();rs=1; rw=0; lcden=0;/數據寄存器寫入P0=date;DelayMs(5);lcden=1;DelayMs(5);lcden